如何让奇异值分解(SVD)变得不“奇异”?

简介: 如何让奇异值分解(SVD)变得不“奇异”?

在之前的一篇文章:划重点!通俗解释协方差与相关系数,红色石头为大家通俗化地讲解了协方差是如何定义的,以及如何直观理解协方差,并且比较了协方差与相关系数的关系。


本文红色石头将继续使用白话语言,介绍机器学习中应用十分广泛的矩阵分解方法:奇异值分解(SVD)。本文不注重详细的数学推导,只注重感性的理解以及如何在实际应用中使用它们


1  普通方阵的矩阵分解(EVD)


我们知道如果一个矩阵 A 是方阵,即行列维度相同(mxm),一般来说可以对 A 进行特征分解:


image.png


其中,U 的列向量是 A 的特征向量,Λ 是对角矩阵,Λ 对角元素是对应特征向量的特征值。


举个简单的例子,例如方阵 A 为:


image.png


那么对其进行特征分解,相应的 Python 代码为:


import numpy as np
A = np.array([[2,2],[1,2]])
lamda,U=np.linalg.eig(A)
print('方阵 A: ',A)
print('特征值 lamda: ',lamda)
print('特征向量 U: ',U)


运行输出:


方阵 A: [[2 2]
   [1 2]]
特征值 lamda: [ 3.41421356 0.58578644]
特征向量 U: [[ 0.81649658 -0.81649658]
   [ 0.57735027 0.57735027]]

特征分解就是把 A 拆分,如下所示:


image.png


其中,特征值 λ1=3.41421356,对应的特征向量 u1=[0.81649658 0.57735027];特征值 λ2=0.58578644,对应的特征向量 u2=[-0.81649658 0.57735027],特征向量均为列向量。


值得注意的是,特征向量都是单位矩阵,相互之间是线性无关的,但是并不正交。得出的结论是对于任意方阵,不同特征值对应的特征向量必然线性无关,但是不一定正交。


02  对称矩阵的矩阵分解(EVD)


image.pngimage.pngimage.png

image.png

那么对其进行特征分解,相应的 Python 代码为:


A = np.array([[2,1],[1,1]])
lamda,U=np.linalg.eig(A)
print('方阵 A: ',A)
print('特征值 lamda: ',lamda)
print('特征向量 U: ',U)


运行输出:


方阵 A:  [[2 1]

[1 1]]

特征值 lamda:  [ 2.61803399  0.38196601]

特征向量 U:  [[ 0.85065081 -0.52573111]

[ 0.52573111  0.85065081]]

特征分解就是把 A 拆分,如下所示:


image.png


其中,特征值 λ1=2.61803399,对应的特征向量 u1=[0.85065081 0.52573111];特征值 λ2=0.38196601,对应的特征向量 u2=[-0.52573111 0.85065081],特征向量均为列向量。


注意,我们发现对阵矩阵的分解和非对称矩阵的分解除了公式不同之外,特征向量也有不同的特性。对称矩阵的不同特征值对应的特征向量不仅线性无关,而且是相互正交的。什么是正交呢?就是特征向量内积为零。验证如下:


0.85065081 * -0.52573111 + 0.52573111 * 0.85065081 = 0\

image.png

3  奇异值分解(SVD)


我们发现,在矩阵分解里的 A 是方阵或者是对称矩阵,行列维度都是相同的。但是实际应用中,很多矩阵都是非方阵、非对称的。那么如何对这类矩阵进行分解呢?因此,我们就引入了针对维度为 mxn 矩阵的分解方法,称之为奇异值分解(Singular Value Decomposition)。


假设矩阵 A 的维度为 mxn,虽然 A 不是方阵,但是下面的矩阵却是方阵,且维度分别为 mxm、nxn。


image.png


因此,我们就可以分别对上面的方阵进行分解:


image.png


其中,Λ1 和 Λ2 是对焦矩阵,且对角线上非零元素均相同,即两个方阵具有相同的非零特征值,特征值令为 σ1, σ2, ... , σk。值得注意的是,k<=m 且 k<=n。


根据 σ1, σ2, ... , σk 就可以得到矩阵 A 的特征值为:

image.png

其中,P 称为左奇异矩阵,维度是 mxm,Q 称为右奇异矩阵,维度是 nxn。Λ 并不是方阵,其维度为 mxn,Λ 对角线上的非零元素就是 A 的特征值 λ1, λ2, ... , λk。图形化表示奇异值分解如下图所示:

image.png

image.png

image.png

4  如何形象化理解 SVD


奇异值分解到底有什么用呢?如何形象化地理解奇异值?我们一起来看下面的例子。


首先放上男神的照片:

image.png

image.pngimage.pngimage.pngimage.pngimage.png

可见,取前 50 个最大奇异值来重构图像时,已经非常清晰了。我们得到和原图差别不大的图像。也就是说,随着选择的奇异值的增加,重构的图像越来越接近原图像。


基于这个原理,奇异值分解可以用来进行图片压缩。例如在本例中,原始图片的维度是 870x870,总共需要保存的像素值是:870x870=756900。若使用 SVD,取前 50 个最大的奇异值即可,则总共需要存储的元素个数为:


(870+1+870)x50=87050


显然,所需存储量大大减小了。在需要存储许多高清图片,而存储空间有限的情况下,就可以利用 SVD,保留奇异值最大的若干项,舍去奇异值较小的项即可。


值得一提的是,奇异值从大到小衰减得特别快,在很多情况下,前 10% 甚至 1% 的奇异值的和就占了全部的奇异值之和的 99% 以上了。这对于数据压缩来说是个好事。


SVD 数据压缩的算法图示如下:


image.png


SVD 数据压缩的示例代码为:


from skimage import io
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
img=io.imread('./ng.jpg')
m,n = img.shape
io.imshow(img)
plt.show()
P, L, Q = np.linalg.svd(img)
tmp = np.diag(L)
if m < n:
   d = np.hstack((tmp,np.zeros((m,n-m))))
else:
   d = np.vstack((tmp,np.zeros((m-n,n))))
# k = 50
img2 = P[:,:50].dot(d[:50,:50]).dot(Q[:50,:])
io.imshow(np.uint8(img2))
plt.show()
tmp = np.uint8(img2)
im = Image.fromarray(tmp)
im.save("out.jpg")

现在,你已经完全了解了奇异值分解了吧。是不是挺简单也挺有意思呢?

相关文章
|
存储 安全 算法
Qt QStack 详解:从底层原理到高级用法
Qt QStack 详解:从底层原理到高级用法
453 0
|
安全 测试技术 UED
专项测试
专项测试
365 0
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
海洋生物识别系统+图像识别+Python+人工智能课设+深度学习+卷积神经网络算法+TensorFlow
海洋生物识别系统。以Python作为主要编程语言,通过TensorFlow搭建ResNet50卷积神经网络算法,通过对22种常见的海洋生物('蛤蜊', '珊瑚', '螃蟹', '海豚', '鳗鱼', '水母', '龙虾', '海蛞蝓', '章鱼', '水獭', '企鹅', '河豚', '魔鬼鱼', '海胆', '海马', '海豹', '鲨鱼', '虾', '鱿鱼', '海星', '海龟', '鲸鱼')数据集进行训练,得到一个识别精度较高的模型文件,然后使用Django开发一个Web网页平台操作界面,实现用户上传一张海洋生物图片识别其名称。
512 7
海洋生物识别系统+图像识别+Python+人工智能课设+深度学习+卷积神经网络算法+TensorFlow
|
SpringCloudAlibaba 监控 Java
三.SpringCloudAlibaba极简入门-配置中心Nacos
在《SpringCloud极简入门》中我们通过[Spring Cloud Config](https://blog.csdn.net/u014494148/article/details/105159730)作为统一配置文件管理中心,其实我们总结一下发现Spring Cloud Config使用起来总归比较麻烦。Nacos作为Spring Cloud Alibaba的一个重要组件,它不仅可以用作服务注册与发现,也可以用来替代Spring Cloud Config作为统一配置文件管理,而且他的使用更为简单和人性化。
|
SQL 人工智能 分布式计算
MaxCompute 产品新能力发布-2024年Q1
随着阿里云MaxCompute4.0的产品新版本发布,越来越多的MaxCompute产品新能力被客户广泛关注,包括近实时查询/湖仓一体&开放架构/容灾备份等。在此我们对外整体介绍一下MaxCompute FY25-Q1产品新功能,帮助更多用户借此了解MaxCompute4.0云原生数仓新版本的重点产品特性,核心竞争力与典型用户场景等信息。
465 1
|
数据采集 自然语言处理 测试技术
CodeFuse-13B: 预训练多语言代码大模型
该论文针对蚂蚁集团的现实应用场景,详细介绍了CodeFuse-13B预训练模型的数据准备和训练过程,揭秘了CodeFuse是如何成为一款能够同时处理英文和中文提示的高效预训练代码大型语言模型(LLM)。论文还对CodeFuse在代码生成、翻译、注释和测试用例生成等应用场景中的性能进行了评估。CodeFuse-13B在蚂蚁集团内广
434 2
|
JSON 人工智能 数据挖掘
Python零基础入门必背代码大全
Python零基础入门必背代码大全
402 1
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
探索机器学习中的模型融合技术
在机器学习领域,模型融合技术已成为提升预测准确性和增强模型泛化能力的关键手段。本文将深入探讨模型融合的理论基础、实现策略以及实际应用案例,旨在为读者提供一套系统的理解和实践指导。通过分析不同类型的融合方法,包括简易模型平均、加权平均、Stacking、Bagging和Boosting等,文章揭示了模型融合如何有效整合多个模型的信息,减少过拟合风险,以及提高对未知数据的适应能力。
|
算法 vr&ar UED
硬核解决Sora的物理bug!美国四所顶尖高校联合发布:给视频生成器装个物理引擎
【5月更文挑战第16天】美国四所顶级高校联合推出PhysDreamer,将物理引擎集成到视频生成模型,以实现更真实的3D对象动态交互。该技术利用动态先验知识估计物体物理属性,生成逼真的动态视频。实验显示PhysDreamer在动态逼真度上超越现有方法,但在计算成本和处理复杂物理交互方面仍有局限。研究团队对未来持乐观态度,期待改善效率并扩展应用范围。这一创新将推动虚拟体验技术的发展,增强VR/AR的沉浸感和多领域应用。[论文链接](https://arxiv.org/pdf/2404.13026.pdf)
201 2
|
前端开发 JavaScript 容器
程序技术好文:纯原生javascript下拉框表单美化实例教程
程序技术好文:纯原生javascript下拉框表单美化实例教程
242 0